小型啤酒釀造機設計與研究

侯潔明，劉國起

（1.合肥賽為智能有限公司，安徽合肥 230031；2.上海皓揚網絡科技有限公司，上海 200237）

0 引言

啤酒是人類最古老的酒精飲料，是水和茶之后世界上消耗量排名第三的飲料。啤酒進入中國是在19 世紀末20 世紀初，當初中國的啤酒產量低而且分布不廣泛，1949 年以后啤酒產業(yè)迅速發(fā)展，國內啤酒消費逐年增加，目前中國已是世界最大啤酒消費國之一。

釀造啤酒是個十分復雜的工藝工程。首先將原料粉碎，放入鍋中吸收一定水分并加熱，這一過程稱為糊化；再將溫度加熱至57 ℃左右并且持續(xù)一段時間，此時麥芽中有效物質被萃取出來并在酶的作用下逐漸分解到水中，這一過程稱為糖化；隨后繼續(xù)加熱至沸騰再加入酒花，冷卻過濾掉雜質；當溫度降至常溫時候放入酵母發(fā)酵，此時控制好發(fā)酵溫度；最后再低溫儲存，大約10 d 以后就可以釀造出新鮮的啤酒。啤酒釀造工藝復雜、設備多、發(fā)酵條件苛刻，因此工廠化生產啤酒才可以控制品質并降低成本。

隨著國內消費水平的不斷提升，人們已經不再滿足于飲用工業(yè)化啤酒，精釀啤酒的需求逐年上升，并且趨向于在家釀造風味不同的啤酒飲品。由于啤酒釀造工藝較為繁瑣，發(fā)酵條件苛刻，只有專業(yè)人員或是啤酒釀造愛好者才具備釀造風味獨特啤酒的能力。

本文研究并開發(fā)一款適合家庭使用的啤酒釀造機器。釀造機體積564 mm×400 mm×345 mm，相當于一臺烤箱的大小。該設備體積小、功能全，能滿足釀造過程的所有工藝要求。設備預存多種釀造工藝程序，操作者無需任何釀酒技能，一鍵操作便可由機器釀造完成所有工作。設備帶有無線傳輸功能，讓用戶與設備實現互聯互通，可以隨時用手機操控釀酒機。

1 家用釀造機工作過程

家用小型釀造設備是將大型工廠化啤酒設備的小型化，并且參照啤酒釀造工藝流程研發(fā)設計的一種小型機器。設備體積小、功能齊全、操作簡便。操作者將粉碎后的麥芽放入糖化罐，發(fā)酵罐中加入清水，清水經過水泵在發(fā)酵罐、加熱管、糖化罐中循環(huán)流動，溫控系統(tǒng)根據釀酒工藝設計水溫，經過一段時間后麥芽中的糖分被萃取出來，水中含有大量的糖分和麥芽提取物——麥汁。此后將麥汁加熱至100 ℃，其間加入啤酒花。煮沸后的麥汁過濾后迅速冷卻至常溫，當麥汁溫度達到24 ℃后加入酵母，打開降溫控制器，此后釀造設備會根據設定的啤酒風味控制發(fā)酵罐中的溫度和壓力。經過10 d 左右的時間，一款精釀啤酒制作成功。

2 釀造工藝與設備要求

啤酒的釀造過程大致分為糖化、煮沸、冷卻、發(fā)酵、冷藏等5五個步驟，每個工藝步驟都有嚴格的技術要求和檢測標準。本文設計的小型釀酒設備同樣遵循上述5 個步驟標準進行，麥芽的糖化過程要求控制水的溫度和時間，煮沸過程中控制酒花的時機，冷卻發(fā)酵控制發(fā)酵罐中的溫度和壓力。

2.1 糖化罐設計

大型工業(yè)化設備的糖化罐由不銹鋼制作，將粉碎后的麥芽糖放入糖化罐，加入清水保持水溫60 ℃并不斷攪拌，此時麥芽中的糖分不斷溶解至水中。而小型化的糖化設備必須做到精簡和高效，為此設計糖化罐和煮沸罐二合一的結構裝置。如圖1 所示，下層為糖化罐主體，放入粉碎后的麥芽，加熱后的清水流入糖化罐中，此時控制液面淹沒至麥芽最高表面，使麥芽完全浸泡在水中，水溫不斷上升直至工藝要溫度。水流不斷沖擊麥芽，糖化罐中的麥芽在水流作用下不斷翻滾，翻滾越頻繁糖化效果就越明顯，經過一段時間后，清水變成麥汁。

圖1 釀酒機二合一結構

2.2 煮沸與酒花盒

麥汁制作完成后，機器進入下一個程序，加熱系統(tǒng)、水泵繼續(xù)工作，此時的麥汁將不再流進糖化罐，而是在酒花盒（圖2）和煮沸罐之間循環(huán)流動并不斷加熱，酒花盒每個格中有不同類型的酒花，由主控系統(tǒng)根據不同口味的啤酒程序控制流進各個酒花格的間隔時間和持續(xù)時間。隨著麥汁的溫度不斷升高，酒花中的物質被萃取出來，最后麥汁被煮沸，系統(tǒng)根據啤酒風味的不同控制并維持沸騰的時間，直到完成本次工藝過程。

圖2 酒花盒、糖化罐、發(fā)酵罐位置

2.3 過濾冷卻

當麥汁煮沸完成后，麥汁中的蛋白質凝固成絮狀物質，部分水分被蒸發(fā)，此時麥汁的糖度一般會在12°以上，下一步需要迅速冷卻并通過過濾系統(tǒng)將麥汁中的雜質濾掉。本文研究的小型設備是在煮沸罐的底部增加一層過濾網和過濾棉，麥汁循環(huán)流動中已經將雜質過濾掉。煮沸的麥汁溫度是100 ℃，本設備需要在很短的時間內將麥汁冷卻到24 ℃以下，兼顧到縮小尺寸結構和降溫效率，采用風冷排和制冷片同時降溫的方法，風冷排在機器上部，制冷片貼服在煮沸罐側壁上，工作中由水泵將麥汁抽出流經風冷排將麥汁的熱散發(fā)出去，同時制冷片也在進行降溫工作，在兩個工作模組共同作用下，麥汁迅速降溫。

2.4 發(fā)酵與控溫控壓

機器完成過濾冷卻后，麥汁的溫度已經降至常溫24 ℃左右，此時放入酵母，機器進入發(fā)酵程序。為保證酵母發(fā)酵壓力控制在3 bar（0.3 MPa）以內，發(fā)酵罐的壓力由罐頂部的壓力閥控制，超過設定壓力，閥自動開啟，低于設定壓力，閥自動關閉。發(fā)酵過程中會產生熱量，環(huán)境溫度也會有高低不同的不變化，為此在發(fā)酵罐上安裝降溫和加熱補償裝置。采用半導體模組，用鋁塊和銅管做導熱器件，將發(fā)酵罐內的熱量導出并向機器外部散熱。當發(fā)酵罐內溫度不足時，半導體模塊電路自動反向接電，此時冷熱端反向，控溫模塊將機器外部熱量傳導至發(fā)酵罐內部，保持設定溫度。

3 設計與參數匹配

根據釀酒工藝的標準和對設備體積的要求，設計研發(fā)小型釀酒機，機器包含四大部分，糖化罐酒花盒部件，發(fā)酵罐和壓力控制部件，加熱循環(huán)系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，主控電路等。

3.1 加熱系統(tǒng)、過濾糖化罐、酒花盒

如圖1 所示，機器分為左右兩個部分，左側透明塑料罐為糖化罐，用于將麥芽糖化成麥汁，右側為不銹鋼密封罐，用于啤酒發(fā)酵使用。塑料罐上部為帶隔斷的小盒，小盒共有4 個分段，分別放入不同類型的酒花，工作過程中水流不斷沖刷小盒內的酒花。開始工作前先在左側糖化罐中放入粉碎后的麥芽，右側密封罐中加入清水，啟動開關，水泵（表1）將右側發(fā)酵罐中的水抽出到加熱管中（表2），經過加熱后的水流入左側糖化罐的底部再由另一個水泵抽出到發(fā)酵罐中，糖化罐中間和底部分別裝有液位傳感器，液位信號用于控制糖化罐中液體高度。工作后的水在發(fā)酵罐、加熱管和糖化罐中反復循環(huán)，不斷被加熱。主控板根據程序控制水的溫度，經過一段時間后，麥芽中的淀粉被萃取出來。水由于吸取了麥芽的有效物質后成為麥汁，隨后進入煮沸工藝，由主控程序控制水泵和加熱管繼續(xù)工作，水流持續(xù)循環(huán)并被加熱，此時水流不再流進糖化罐，而是進入糖化罐上部的酒花盒內，酒花盒總共有4 個不同的小格，裝入不同的酒花品種，程序根據啤酒口味控制水流進入酒花盒的時機和流經的持續(xù)時間，以獲得不同的口味。

表1 水泵規(guī)格參數

表2 加熱管規(guī)格參數

3.2 發(fā)酵罐、控溫系統(tǒng)、控壓系統(tǒng)

機器的右側為發(fā)酵罐，發(fā)酵罐是密封的，罐頂有壓力控制模塊和溫度傳感器，罐的側壁有半導體降溫模塊。由于發(fā)酵的后期需要將發(fā)酵罐密封并保持罐內壓力，因此罐頂部裝有壓力控制閥（電磁閥參數見表3），機器在第二步煮沸工藝中需要將閥門打開，以便讓蒸氣揮發(fā)出去，第四步工藝中程序將閥門關閉，酵母發(fā)酵過程會產生二氧化碳，隨著發(fā)酵的深入，罐內壓力不斷增大，為了保持罐內壓力達到標準要求，將閥門控制值設定在3 bar（0.3 MPa）以內，罐內壓力超過設定值，閥門自動打開放氣減壓。

表3 電磁閥參數

3.3 冷卻降溫系統(tǒng)

酵母在發(fā)酵過程中持續(xù)放熱，當環(huán)境溫過高不利于酵母發(fā)酵，并且酵母發(fā)酵過程會持續(xù)放熱，為了給發(fā)酵提供良好的環(huán)境，發(fā)酵罐外設計安裝降溫控制系統(tǒng)。為保持整個機器體積較小采用半導體制冷片，其中一面緊貼在鋁塊上，鋁塊再緊貼在發(fā)酵罐的外側表面，半導體發(fā)熱端采用5 根銅熱管導熱，銅管末端固定在鋁鰭片并附加強排風扇進行散熱處理。啟動制冷工作程序半導體制冷片開始工作，不斷將發(fā)酵罐內的熱量傳輸到機器外部，持續(xù)數小時后罐內溫度可降至10 ℃左右。

4 結束語

啤酒釀造歷史悠久，近代工業(yè)促成了大規(guī)模工廠化生產。啤酒品種多樣，口味各有特色，人們希望釀造具有獨特風味的啤酒，但又缺乏專業(yè)技能，為此研究并掌握啤酒的釀造工藝，在基本工藝基礎上簡化機器設備，使其能夠滿足家庭化的使用要求。研究與設計中不僅僅要求溫度、時間、壓力、冷卻、過濾等都要達到設計要求，同時預先存儲各種釀造程序，使用者無需專業(yè)技能，通過手機即可完成整個釀造過程。本研究與開發(fā)經歷數款機型的試驗與測試，并經過眾多用戶的試用，于2019 年完成定型并交由代工廠批量生產。